Η νανοτεχνολογία στην ιατρική

Θεραπείες νανοτεχνολογίας

Ένα νανόμετρο (nm) είναι ένα δισεκατομμυριοστό, ή 10^-9, του μέτρου.

Η θεραπεία των νευρολογικών παθήσεων και του καρκίνου γίνεται με λιγότερες παρενέργειες, με εφαρμογές της νανοτεχνολογίας στην ιατρική.

Η εν τω βάθει διέγερση του εγκεφάλου-Deep Brain Stimulation, με χρήση νανοηλεκτροδίων και νανομπαταριών, γίνεται σε νευρολογικές παθήσεις, όπως η νόσος του Πάρκινσον και του Αλτσχάιμερ, η σκλήρυνση κατά πλάκας και η παράλυση.

Μπορεί η μέθοδος να εφαρμοστεί και σε διάφορες μορφές καρκίνου.

Τα νανοσωματίδια είναι περίπου 1.000 φορές πιο μικρά από τα ερυθρά αιμοσφαίρια, επομένως μπορούν με ευκολία να εισέρχονται και να κυκλοφορούν μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό.

Οι νευρολογικές παθήσεις δημιουργούνται όταν τα κύτταρα του εγκεφάλου δεν παράγουν τα κατάλληλα ηλεκτρικά σήματα. Με τη “εν τω βάθει διέγερση του εγκεφάλου” οι νευροχειρουργοί τοποθετούν στον εγκέφαλο ηλεκτρόδια, διαμέτρου ενός χιλιοστού, τα οποία μεταφέρουν ηλεκτρικούς παλμούς χαμηλής συχνότητας σε τμήματα που δεν λειτουργούν σωστά. Τα ηλεκτρόδια τροφοδοτούνται με ηλεκτρικό ρεύμα από ένα βηματοδότη που λειτουργεί με μπαταρία λιθίου, η οποία έχει μέγεθος περίπου ίδιο με αυτό που έχουν οι μπαταρίες των κινητών τηλεφώνων. Η μπαταρία αυτή εμφυτεύεται στο θώρακα και τροφοδοτώντας το θάλαμο του εγκεφάλου με ηλεκτρικούς παλμούς, μπορεί να θεραπευτεί το τρέμουλο, το οποίο είναι μία από τις συνέπειες της νόσου του Πάρκινσον.

Επίσης, η μέθοδος μπορεί να εφαρμοσθεί σε κρανιοεγκεφλική κάκωση του εγκεφάλου…

Οι επιπλοκές της μεθόδου είναι η εγκεφαλική αιμορραγία κατά την εμφύτευση του βηματοδότη σε ποσοστό 3% και η κατάθλιψη λόγω της κακής ρύθμισης της συχνότητας του ηλεκτρικού ρεύματος.

Η νανοτεχνολογία με τη χρήση μικρότερου μεγέθους ηλεκτροδίων, καθώς και την παροχή ηλεκτρικών παλμών ακριβώς στο σημείο του εγκεφάλου όπου υπάρχει διαταραχή και η δημιουργία νανομπαταριών, που είναι 5 φορές πιο αποτελεσματικές από αυτές που χρησιμοποιούνται σήμερα, μπορεί να επιτρέψει προσεχώς την εμφύτευσή τους μεταξύ εγκεφάλου και κρανίου για τη καλύτερη παροχή ηλεκτρικών παλμών.

Η νανοτεχνολογία μπορεί να βελτιώσει και τη θεραπεία του καρκίνου. Η νανοτεχνολογία επιτρέπει την παραγωγή νανοσωματιδίων στα οποία θα εσωκλείεται το στοχευμένο φάρμακο ή βότανο. Στο εξωτερικό των νανοσωματιδίων τοποθετούνται πρωτεΐνες οι οποίες κατευθύνονται και προσκολλώνται στα καρκινικά κύτταρα. Έτσι, το φάρμακο ή το βότανο κατευθύνεται και απελευθερώνεται μόνο πάνω στα καρκινικά κύτταρα, χωρίς να καταστρέφει τα υγιή.

Ένα παράδειγμα είναι τα νανοσωματίδια χρυσού που μπορεί να βοηθήσουν στη θεραπεία του καρκίνου. Μια μικρή δόση από νανοσωματίδια χρυσού μπορούν να ενεργοποιήσουν ή να αναστείλλουν τα γονίδια που εμπλέκονται στην αγγειογένεση που είναι μια σύνθετη διαδικασία που είναι υπεύθυνη για την παροχή θρεπτικών ουσιών στους περισσότερους τύπους καρκίνου. Τα ενδοθηλιακά κύτταρα που κατασκευάζουν το εσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων παίζουν τον κεντρικό ρόλο στην αγγειογένεση. Τα νανοσωματίδια χρυσού μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αποτελεσματικά εργαλεία στην κυτταρική νανοχειρουργική, με τη βοήθεια λέιζερ.

Η νανοϊατρική τεχνολογία βασίζεται σε πολύ εξειδικευμένες μεθόδους και όργανα υψηλότατης ακρίβειας, όπως είναι τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια, τα όργανα νανομετρολογίας, οι θάλαμοι υψηλού κενού, η νανολιθογραφία, η θεωρητική και υπολογιστική μοντελοποίηση στη νανοκλίμακα και πολλά άλλα. Η χρήση των παραπάνω συστημάτων και μεθόδων οδηγεί στη νανοτεχνολογική ανάπτυξη και εξέλιξη μίας πολύ μεγάλης γκάμας υλικών και διατάξεων. Η νανοτεχνολογία μπορεί να εφαρμοσθεί σε ειδικότητες, όπως είναι η καρδιολογία, η νεφρολογία, η οφθαλμολογία, η ενδοκρινολογία, η ορθοπεδική, η νευρολογία, η ογκολογία, η δερματολογία και η δερματοχειρουργική.

Με τα λιποσώματα και τα νανογαλακτώματα, γίνεται αλληλεπίδραση με τα βιολογικά μόρια και τις δομές, κατορθώνοντας να εισχωρήσουν μέσα από τους μικροσκοπικούς πόρους του δερματοεπιδερμιδικού φραγμού (~20 nm) για να μεταφέρουν φάρμακα ή βότανα ή να ενεργοποιήσουν την αυτοεπιδιόρθωση των ιστών που έχουν υποστεί γήρανση ή παθολογική φθορά. Τα νανογαλακτώματα είναι διαυγή, έχουν μικρό ιξώδες και είναι θερμοδυναμικά σταθερά. Αποκτούν, επίσης, μία πολύ σημαντική αντιμικροβιακή ιδιότητα στη νανοκλίμακα, αφού το μικρό μέγεθος των σωματιδίων τους επιτρέπει να αλληλεπιδρούν με τη μεμβράνη πολλών μικροοργανισμών, προκαλώντας τη λύση τους. Είναι πολύ αποτελεσματικά στην καταστροφή βακτηριδίων, σπορίων, μυκηλλίων και ορισμένων ιών. Τα νανογαλακτώματα βρίσκουν ακόμα πολλές εφαρμογές για τη χορήγηση υδρόφοβων φαρμάκων, παρέχοντας τη δυνατότητα μεγαλύτερης και ταχύτερης απορρόφησης από τον στόχο ιστό.

Μελετάται η χρήση τους για την πρόληψη και θεραπεία διαφόρων ασθενειών, είτε σε εισπνεόμενη μορφή, είτε μέσω συστημάτων τοπικής και διαδερμικής χορήγησης. Θεωρούνται ιδανικές μορφές για την απελευθέρωση φαρμάκων, όπως είναι τα στεροειδή, οι ορμόνες, τα διουρητικά και τα αντιβιοτικά και τα βότανα.

Τα νανοσυστήματα στοχευμένης θεραπείας

Είναι οι νανοσφαίρες, τα μαγνητικά νανοσωματίδια, οι πολυμερικές νανοκάψουλες, τα δενδριμερή, τα nanoshells, τα φουλερένια και οι νανοσωλήνες. Στην επιφάνεια αυτών των νανοδιατάξεων, μπορούν να ενσωματωθούν υποδοχείς που αναγνωρίζουν τα καρκινικά κύτταρα (ή τους τοξικούς, λοιμογόνους και άλλους ανεπιθύμητους παράγοντες), ώστε να τους καταστρέφουν.

–Οι νανοσωλήνες άνθρακα (carbon nanotubes) αποτελούνται από εξαγωνικά δακτυλίδια ατόμων άνθρακα κανονικής διάταξης, τα οποία ενώνονται σε ένα λεπτότατο φύλλο γραφίτη (δύο διαστάσεων), τυλιγμένο σε κυλινδρική μορφή, μήκους μερικών εκατοντάδων nm και διαμέτρου από 1 nm έως 100 nm. Παρουσιάζουν μοναδικές ιδιότητες, όπως είναι το μεγάλο εμβαδό επιφανείας, η πολύ μεγάλη μηχανική αντοχή, η εξαιρετική χημική και θερμική σταθερότητα και οι πλούσιες ηλεκτρονικές ιδιότητες. Δίνουν τη δυνατότητα αλληλεπιδράσεων, τόσο σε επίπεδο κυτταρικής μεμβράνης και μπορούν να ενσωματωθούν με τη μεμβράνη βακτηριακών κυττάρων, καταστρέφοντάς τα μέσα σε λίγα λεπτά, όσο και με τα βιολογικά μόρια και δομές στο εσωτερικό του κυττάρου. Μπορούν έτσι να εισχωρήσουν στον πυρήνα του κυττάρου και να πραγματοποιήσουν νανοεπεμβάσεις σε δομές και βιολογικά μόρια, όπως στο DNA, μεταφέροντας ή αποσπώντας ουσίες (κυτταρική χειρουργική) και προσφέροντας, έτσι, μεγάλο ερευνητικό πεδίο για πολλές μελλοντικές εφαρμογές (στη φαρμακευτική χορήγηση, στην υβριδοποίηση DNA κ.ά.).

-Τα φουλερένια (fullerenes) αποτελούνται από εξαγωνικά ή πενταγωνικά δακτυλίδια ατόμων άνθρακα κανονικής διάταξης που ενώνονται σε ένα λεπτότατο φύλλο γραφίτη τυλιγμένο σε σφαιρική μορφή διαμέτρου από 0,7 έως 1,5 nm. Παρουσιάζουν πολύ ενδιαφέρουσες ιδιότητες, όπως είναι η πολύ καλή βιοσυμβατότητα, η χαμηλή τοξικότητα, ακόμα και σε υψηλές δόσεις και η εύκολη διαλυτοποίηση τους σε πολλά διαφορετικά μέσα. Έχουν μελετηθεί ως φορείς αντιβιοτικών φαρμάκων και στην αντικαρκινική έρευνα για την αναγνώριση και καταστροφή των κυττάρων του μελανώματος.

-Τα δενδριμερή ή δενδριτικά πολυμερή (dendrimers or dendritic polymers) είναι νανοδομημένες διατάξεις με σχηματισμό κλαδιών δένδρου και διάμετρο που δεν ξεπερνάει τα 20 nm. Προκύπτουν από μία σειρά διαδοχικών βημάτων υψηλής ακρίβειας, ξεκινώντας από ένα κεντρικό μόριο-πυρήνα (συνήθως αμίνες ή σάκχαρα) και προσθέτοντας διαδοχικά κλάδους και μικρότερα παρακλάδια. Λόγω της συνεκτικότητας της δομής τους, θεωρούνται ιδανικά δομικά στοιχεία για τη δημιουργία βιοενεργών νανοϋλικών και αντικαρκινικών νανοσυστημάτων (anticancer therapeutic nanodevices). Χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση παθολογικών καταστάσεων, την αιτιοπαθολογική συσχέτιση, τη στοχευμένη φαρμακευτική χορήγηση και την καταγραφή των επιπέδων του φαρμάκου και των βλαβών σε κυτταρικό επίπεδο. Γενικότερα, στις ιδιαίτερες ιδιότητες των πολυμερών οφείλονται εξάλλου και οι πολλές ακόμα σημαντικές εφαρμογές τους στη φαρμακευτική τεχνολογία, όπως για τη σταθεροποίηση φαρμακευτικών σκευασμάτων (π.χ. των νανογαλακτωμάτων), αλλά και για την ελεγχόμενη αποδέσμευση δραστικών ουσιών. Χάρη στην τελευταία αυτή ιδιότητά τους, τα πολυμερή μπορούν να χρησιμοποιηθούν, είτε ως δεξαμενή ενός φαρμάκου π.χ. νανοκάψουλες με πολυμερικό περίβλημα, είτε για το σχεδιασμό μίας βιοδιασπώμενης πολυμερικής μήτρας, όπου ενσωματώνονται τα μόρια μίας δραστικής ουσίας π.χ. δερματικά επιθέματα (patches), εμφυτεύσιμα συστήματα και μαγνητικά νανοσωματίδια.Τα μαγνητικά νανοσωματίδια (magnetic nanoparticles) αποτελούνται από ένα μαγνητικό πυρήνα που περικλείεται από ένα στρώμα βιολογικά ενεργών ουσιών. Ο πυρήνας μπορεί να περιέχει μαγνητικούς νανοκρυστάλλους και μία μήτρα πολυμερούς με φάρμακο. Τα νανοσωματίδια συγκεντρώνονται με μαγνητικό πεδίο στην περιοχή ακριβώς της στόχευσης, απελευθερώνοντας το φάρμακο.

-Τα nanoshells περικλείουν έναν πυρήνα πυριτίου και περιβάλλονται από ένα κέλυφος (shell) μεταλλικής εξωτερικής επίστρωσης. Μπορούν να συγκρατήσουν στην επιφάνειά τους ειδικούς υποδοχείς, όπως αντισώματα που αναγνωρίζουν τα καρκινικά κύτταρα και ενώνονται με αυτά. Ακτινοβολώντας την περιοχή, σε μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο, τα nanoshells απορροφούν τη διαχεόμενη ενέργεια. Το φαινόμενο αυτό οδηγεί στην έντονη θέρμανσή τους που έχει σαν αποτέλεσμα την επιλεκτική καταστροφή των καρκινικών κυττάρων με τα οποία είναι συνδεδεμένα, ενώ διατηρείται ανέπαφη η δομή και η λειτουργικότητα του υγιούς γειτονικού ιστού.

Στο μέλλον, μάλιστα δεν θα γίνονται χειρουργεία για τους όγκους του εγκεφάλου. Μοριακές συσκευές θα μπαίνουν μέσω του αίματος στο σώμα του ασθενούς και θα κατευθύνονται στον στόχο. Όταν φθάνουν στον καρκινικό όγκο, θα συναρμολογούν κατάλληλες μοριακές διατάξεις για να επιτεθούν στον όγκο με μικρής κλίμακας στοχευμένα φάρμακα ή βότανα. Όταν ο όγκος θα εξολοθρεύεται, οι νανομηχανές θα αυτοαπενεργοποιούνται.

Υπάρχουν κίνδυνοι για την ανθρώπινη υγεία από τη νανοτεχνολογία;

Η απελευθέρωση των νανοσωματιδίων και των νανοσωλήνων στα ενδιαφερόμενα μέρη μπορεί να προκαλέσουν νόσο παρόμοια με τη σπογγώδη εγκεφαλοπάθεια των βοοειδών ( ασθένεια των “τρελών αγελάδων”), παρενέργειες, όπως αυτές της θαλιδομίδης, των γενετικώς τροποποιημένων τροφίμων, της πυρηνικής ενέργειας, των αναπαραγωγικών τεχνολογιών, της βιοτεχνολογίας, και της αμιάντωσης.

Περισσότερες πληροφορίες για την ασφάλεια και νανοτεχνολογία στο nano.gr